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Die Luftfahrtbranche ist im Wandel: Innovationszyklen werden kürzer, Anforderungen in Produktion und Fertigung hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Emissionen und Umweltverträglichkeit steigen. Um diese Herausforderungen zu meistern, sollen die Flugzeugteile der Zukunft kostengünstiger, flexibler und ökologischer sein. Das Fraunhofer IFAM unterstützt im Projekt »MORPHO« die Transformation der Branche. Das Ziel: Eine leise, effiziente, nachhaltige und gleichzeitig wirtschaftliche Luftfahrt von Morgen. Am Beispiel eines Flugzeug-Turbinenblatts konnten unsere Wissenschaftler*innen das Potenzial von Sensoren verdeutlichen, die darin integriert werden.

KI-GESTEUERTE PROZESSÜBERWACHUNG IN DER OBERFLÄCHENVORBEHANDLUNG MIT PLASMA- UND LACKTECHNIK | Vorbehandeln mit Plasmatechnologie und Entschichten mit Lasertechniken sind Präzisionsverfahren, um Oberflächen von Bauteilen für weitere Bearbeitungen in der Prozesskette, z. B. für Klebungen oder Lackierungen, vorzubereiten. Geringste Schwankungen in den Prozessparametern oder Ausgangsstoffen können schwerwiegende Folgen bis hin zum Bauteilversagen haben. Oberflächenvorbehandlungsprozesse müssen also äußerst kontrolliert erfolgen. Um Prozessschwankungen entgegenzuwirken, forscht das IFAM daran, diese Prozesse mit optischen und akustischen Überwachungsmethoden in Kombination mit künstlicher Intelligenz (KI) selbstjustierend zu gestalten und damit sicherer zu machen.

DER EINSATZ VON LASER- UND PLASMATECHNOLOGIE FÜR BIOTRANSFORMIERTE OBERFLÄCHEN | Laser- und Plasmatechniken sind gut erforschte Verfahren, die einen breiten Einsatz in der industriellen Oberflächenbehandlung finden, um Oberflächen zu reinigen oder gezielt mit Eigenschaften und Funktionen zu versehen. Diese Techniken können auch im Sinne der biologischen Transformation von Produktionsprozessen und Herstellungsverfahren eingesetzt werden. Konkret heißt das: Es werden lebende Systeme in technische Systeme integriert, um diese zu optimieren, mit neuen Funktionen auszustatten und langzeitstabiler zu machen. Am Fraunhofer IFAM wird aktuell in verschiedenen Bereichen erforscht, wie Laser- und Plasmatechniken die Integration von Organismen auf Oberflächen ermöglichen und begünstigen.

DIFFUSION UND VERSPRÖDUNG BEI SPEICHERUNG UND TRANSPORT VON WASSERSTOFF ENTGEGENTRETEN | Für eine erfolgreiche Energiewende wird grüner Wasserstoff eine entscheidende Rolle spielen. Die Entwicklung neuer Wasserstofftechnologien fordert Techniken und Verfahren, die eine sichere Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Verwendung von Wasserstoff ermöglichen. Zentrale materialwissenschaftliche Herausforderungen sind die Diffusion von Wasserstoff und die damit einhergehende Versprödung von eingesetztem Material. Die Abteilung »Plasmatechnik und Oberflächen« am Fraunhofer IFAM erforscht, wie Oberflächen durch eine Behandlung mit Plasmen oder Lasern hiervor geschützt werden können.

PROJEKT »CITIES IN CHARGE« LIEFERT ERKENNTNISSE FÜR DEN AUSBAU VON LADEINFRASTRUKTUR | Für den Ausbau der Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität müssen viele Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehört neben der Wirtschaftlichkeit der Standorte und den Möglichkeiten zur Schadstoffreduktion auch die Akzeptanz der Nutzerinnen und Nutzer, deren Anforderungen an Ladestationen für E-Autos vielfältig sind. Um die Nutzersicht besser zu verstehen, wurde im Rahmen des Projekts »Cities in Charge« unter anderem eine deutschlandweite Online-Umfrage an fast 100 Ladesäulen durchgeführt.

Die fortschreitende Elektrifizierung und der steigende Einsatz von umrichtergespeisten Elektromotoren stellen Hersteller und Entwickler vor große Herausforderungen. Die effiziente Integration von Direktantrieben sowie die Substitution mechanischer Systeme durch elektrische Lösungen erfordern innovative Ansätze. Insbesondere im Hinblick auf die thermische Belastbarkeit und Leistungsfähigkeit der Antriebstechnik sind neue Lösungen gefragt. Um die thermischen Grenzen in elektrischen Maschinen zu überwinden, wurde im Rahmen eines Projekts eine einfach anwendbare Flüssigkeits-Leiterkühlung in Zahnspulenwicklungen mit integrierten Kühlkanälen entwickelt. Durch umfangreiche Tests auf unserem Leistungsprüfstand konnten wir das Potenzial dieser Technologie zur Steigerung des Drehmoments und der Stromdichte in elektrischen Maschinen erfolgreich demonstrieren. Wir konnten die Stromdichte auf bis zu 51,25 A/mm² steigern und gleichzeitig Drehmomente von bis zu 248,5 Nm erreichen. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt im Vergleich zu herkömmlichen Kühlmethoden dar.

ENTWICKLUNG VON ROTOREN FÜR EFFIZIENTE ASYNCHRONMASCHINEN (ASM) | Das Fraunhofer IFAM entwickelt Lösungen für kostengünstigere und effizientere Asynchronmaschinen (ASM). ASM sind nach wie vor weit verbreitet in elektrischen Antriebsanwendungen, insbesondere im Bereich der Industrieantriebe. Sie sind robust und kostengünstig und können bei Bedarf ohne Frequenzumrichter direkt am Netz anlaufen. Auch in der Fahrzeugtechnik sind ASM längst nicht abgeschrieben. Neue Fertigungsansätze bieten weiterhin Potenzial zur Steigerung des Wirkungsgrads sowie zur Kostenreduktion und Fertigungsqualität.

ALTERNATIVE MAGNETWERKSTOFFE FÜR ELEKTRISCHE ANTRIEBE | Das Einsparen von Rohstoffen spielt auch bei der Entwicklung elektrischer Maschinen eine immer größere Rolle. Ein Beispiel stellen Seltene Erden dar, die z.B. in Magneten für Synchronmaschinen verbaut werden. Diese sind jedoch nicht nur teuer, sondern auch knapp verfügbar, weshalb sie meist aus China importiert werden. E-Maschinenhersteller sind daher auf der Suche nach Alternativen. Am Fraunhofer IFAM wird an Materialien geforscht, die nicht nur kostengünstiger sind, sondern auch eine geringere Abhängigkeit von Seltenen Erden ermöglichen. Dies ist angesichts der extremen Preisschwankungen und der Dominanz Chinas bei der Förderung von Seltenen Erden von großem Interesse für die Industrie.

CAST COILS FÜR LEISTUNGSSTARKE ELEKTROMOTOREN | Die Weiterentwicklung der Elektrifizierung stellt ein zentrales Zukunftsthema für die Industrie dar. Die technologischen Fortschritte im Bereich elektrischer Antriebe haben nicht nur zu einer breiteren Akzeptanz dieser Technologie geführt, sondern auch zu einer gesteigerten Nachfrage nach effizienteren und leistungsfähigeren Antriebssystemen. In diesem Zusammenhang wurden am Fraunhofer IFAM gegossene Wicklungen (Cast Coils) aus Aluminium und Kupfer entwickelt. Die gießtechnische Fertigung von Spulen ermöglicht nicht nur Elektromotoren mit höherer Leistungsdichte, sondern erlaubt auch kostengünstigere, effizientere und leichtere Designs.

Im Zuge der fortschreitenden Elektrifizierung und des steigenden Einsatzes von umrichtergespeisten Elektromotoren stehen Hersteller und Entwickler vor neuen Herausforderungen. Immer kürzere Entwicklungszyklen, gepaart mit stetig steigenden Anforderungen hinsichtlich Wirkungsgrad oder Drehmomentdichte, erfordern in der Multi-Domänenentwicklung elektrischer Maschinen innovative Ansätze. Eine vielversprechende Lösung liegt im Aufbau integrierter, simulationsgestützter Entwurfsprozessketten, die eine automatisierte Generierung und Bewertung verschiedener Designs ermöglichen. Am Fraunhofer IFAM werden spezifische Methoden und bedarfsgerechte Entwurfsprozessketten entwickelt, um schnell Entwürfe elektrischer Maschinen zu erstellen und diese unter Berücksichtigung von fertigungstechnischen und materialwissenschaftlichen Innovationen zu bewerten.